流体的性质
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分
m 千克 (Kg) 克
F 牛顿 (N) 公斤力
T 开尔文 (K) 摄氏度
独立量纲和导出量纲 量纲一致原则
§1.3 连续介质假设和无滑移假设
1 连续介质假设 (欧拉,1753)
(1)为什么引入连续介质假设? 流体中存在极其多的分子 流体分子自身存在热运动 空间上流体分子离散分布
标准状态下1mm3体积 中含: 2.7×1016个气 体分子/3×10 19个液 体分子。
交通工具:汽车、船舶、飞行器 汽车的外形设计从最早期的方型逐渐向今天的流线 型过渡,反映了空气动力特性对汽车性能的影响。
2004年3月27日,携带着X-43A试验机的“飞马”火箭在 太平洋上空12000米处点火,爬升到大约28500米高度,X43A从火箭中分离出来,依靠自身的超音速燃烧冲压式发动 机工作了大约10秒的时间,最高速度达8000公里/小时,相 当于7倍音速(即飞行马赫数达到7)。
§1.1 绪 论
1 什么是流体力学?
(1)流体 自然界不是固体的物质,包括液体 和气体。如水、空气。
能承受压力 不能承受拉力 易流动 无固定的形状
(2)流体力学:研究在一定外力和边界条件下流体的 运动与应力分布规律的科学。
Ma 1
p0
Ma 1
Ma 1
pb
拉伐尔喷管
2 流体力学的应用范畴
美X-43A超音速无人机
船舶的设计依赖我们对浮力定理与浮体稳定性的掌 握,大型潜艇的舰体设计与推进系统更是离不开流 体力学知识。
大气、海洋运动
可怕的龙卷风(tornado)
对大气运动、海洋环流运动及其相互作用的掌握对气 候灾害预报与控制、农业、渔业、航空航海等有积极意 义。
流体机械和动力机械
(4)连续介质假设的合理性
(5)失效状态 外太空气体十分稀薄 激波 微尺度流动(MEMS-微机电系统)
2 无滑移假设
贴附于固体表面的流体运动速度与固体保持一致 。 微尺度流动和稀薄流动条件下该假设失效。
§1.4 流体的基本性质
1 密度ρ
单位体积流体具有的质量 (Kg/m3)。
lim m
(2)连续介质假设 不考虑流体分子间隙对流动的影响,设流体质点没有
间隙地、连续地充满流体所占住的空间。
流体质点:微观上足够大、宏观上足够小、具有一 定体积的流体微团,各参数的统计平均特性即为流体 的宏观特性。
Fluid particle 流体质点
(3)采用连续介质假设的好处 无需关心分子的微观运动 流场参数为空间坐标的连续函数
1 量纲 量纲即特征物理量,流体力学的量纲有长度 (L)、 时间(t)、质量 (m)、力(F)和温度 (T)。
2 单位 单位是指量纲的度量大小,如长度的度量米/inch。
公制工程单位
国际单位
SI Units
英制单位
量纲名称 符号 基本单位 其它单位
长度 时间 质量
力 温度
L
米 (m)
厘米
t
秒 (s)
V 管道内碟型阀门附近的速度分布
风力机
水轮机
涡轮喷气发动机
直接空冷60万千瓦汽 轮机组的低压转子
石油、化工
PDC钻头
能源的开采、输运、冶炼各环节均离不开流体力学知 识。
建筑安全和环境
世贸大厦和上海环球金融大厦
超高层建筑,大跨度桥梁等的设计和建造离不开风工 程。
建筑群对周边局部环境的影响
(2)总结
(1) 常见的流体力学现象 人类在空气、水中的运动 鸟类飞行 米糠分离
大雁的飞行团队
水利工程
1993年青海沟后水库垮坝
1993年8月27日夜间,库容为330万立方米的青海 省海南藏族自治州沟后水库在库水位低于设计水位 0.75米的情况下突然垮坝失事,造成288人死亡,40 人失踪。直接经济损失1.53亿元,水利部专家组调查 认定,沟后水库在设计上有缺陷,施工中又存在严重 的质量问题,运行管理工作薄弱。这次垮坝属于重大 责任事故,州县有关领导干部15人为此受到党纪政纪 处分,省监察厅长在新闻发布会上指出:“有关人员 确实经验不足,缺乏有关专业技术知识,”
难点问题:湍流、流动稳定性、非定常流
4 流体力学的研究方法
(1)理论分析 力学模型-流体力学基本方程-求解-分析 (2)实验研究---实验流体力学 相似原理-实验模型-实验-分析 (3)数值模拟---计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics, CFD)
§1.2 流体力学的常用量纲和单位
可见,流体力学在自然界和一般的工程技术 中随处可见,广泛应用于水利、机械、动力、化 工、石油、土建、航空、航海、气象、环境等工 程技术中,是一门十分有用的知识。
让我们一起加油!!
3 流体力学的发展简介
(1)萌芽期(17世纪中叶以前)
特点:生产实践活动是发展动力、经验积累为主 大禹治水/李冰父子的都江堰 船/帆船 鲁班:会飞的木鸢 沙漏计时 阿基米德定律
古箭
大禹治水图
(2)快速发展期(17世纪后半叶-19世纪) 特点:理论和实验研究方法建立、 形成流体动力学、水力学两分支 代表人物: 1650年 帕斯卡——帕斯卡原理 1686年 牛顿——牛顿内摩擦定律 1738年 伯努利——伯努利方程 1775年 欧拉——理想流体的运动方程 1883年 雷诺——雷诺实验 1823年 纳维、斯托克斯——粘性流体的运动方程
V V0 V
流体密度与流体温度和压 强有关。
m 分子随机脉动引
V
起的密度变化
密度随空间 分布不均
v
ຫໍສະໝຸດ Baiduv1 v
流体微团内0平均密度随微团体积的
变化规律
常温常压下常见流体的密度:
水——1000 kg/m3 空气——1.23 kg/m3 水银——13600 kg/m3
(3)成熟发展期(20世纪初~20世纪中叶) 粘性流体力学得到相当发展,航空航天技术惊人
发展,人类的飞行梦实现。 代表人物: 库塔、儒可夫斯基、普朗特、尼古拉兹、 冯.卡门
(4)20世纪中叶以后 广泛的学科交叉与新分支: 计算流体力学、实验流体力学、可压缩气体力学、
环境流体力学、稀薄气体动力学、微尺度流体力 学、磁流体力学、非牛顿流体力学、生物流体力 学、多相流体力学、物理-化学流体力学、流体机 械流体力学……